本期精选
2024年第9期
田宇，李树然，朱伟东，闫克平，柯映林
DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20231342
目前各种新型微纳材料不断涌现，性能超群，但其应用却远未达到预期。其关键原因是大表面积、高表面能和高活性造成的团聚，使其失去了原有的特性，同时增加了制造的复杂性和成本。研究人员对开发微纳材料的热情远远超过研究分散技术，而后者却是其工业应用的关键，也是提高产品质量、性能和工艺效率的必要条件。现有的分散方法（如球磨，液相搅拌）通常是高强度和破坏性的、需要预处理或引入液相环境，既耗时又复杂，并且对环境不友好，极易引入杂质和缺陷。为了解决这些问题，本研究提出了一种在气相中快速、简单和通用的火花辅助静电分散方法，旨在通过静电场和火花放电的协同作用，降低碳基微纳材料团聚的能量壁垒，提高分散效率。这种方法不仅能够快速有效地从团块中分离单个组分，还能实现微纳材料的定向排列，提高材料的处理效率，从而简化生产过程，减少预处理时间，显著提升材料的应用潜力和范围。
1）火花放电松散碳纤维聚集结构（降低能垒）
静电过程中产生的击穿放电虽然一般应避免，但通过合理利用可以促进微纳材料的解团分散。电场中团聚体的表面尖端会诱发火花通道经过，瞬时电流产生的感生电磁场将会通过斥力松散聚集结构，降低解团分散需要克服的能量势垒。如图1a所示，通过高速相机观察到，火花发生位置的纤维会显著分离，而未发生火花的位置则保持不变。这种现象表明火花通道对纤维的分散有显著影响。进一步的实验使用单脉冲放电验证了这一点。当电容器释放储存的能量时，纤维团块迅速膨胀并向外扩散，显示出火花通道对纤维团块结构变化的关键作用（图1b）。此外，通过大电流的实验，我们发现电流强度直接影响纤维的分散效果。如图2所示，随着电流的增加，纤维的拔出和团块的裂解现象愈加明显。
图1. (a)火花放电前/后纤维团块分散的高速摄像机图像。(b)单脉冲放电引起纤维团的形态变化。
图2. 真空下测试感生电磁力对团块聚集结构的影响
2）电场约束下的碳纤维震荡运动（克服能垒）
纤维聚集体诱发的火花放电通过感应电磁力改变碳纤维团块的内部结构，使其变得松散，降低堆砌密度，从而使纤维能够在电场的牵引下被拉出并实现分散（图3）。单丝化后的纤维将在净电荷和末端电荷的驱动下进行静电振荡运动，包括平动迁移和旋转定向，最终实现沿电场线方向的匀速运动。当纤维接触到高压极板时，会发生电荷转移，极板将中和纤维的电荷并重新充电，从而改变纤维的运动方向。实验结果显示，纤维在接触高压极板后，会被重新充电并反向发射，实现了高效的运动方向控制。此外，纤维在反向发射阶段的运动速度和定向效果都显著提高，确保了最终穿过筛网后的顺利输出。
图3. 单根纤维的拔出迁移及运动受力示意图
3）火花辅助静电分散的效果评价及应用潜力
通过火花放电和直流电场的协同作用，碳纤维团块能够快速解团并完全分散，在效率、损伤、附加效果等方面明显优于传统分散方法。我们的研究显示，在不超过20秒的时间内，5-10 mg范围内的碳纤维团块即可实现完全分散，如图4a所示。此外，这种静电分散技术能够同时赋予纤维在气相中高迁移速度和垂直排列的特性，极大提高了材料的可设计性与在线生产能力（图4b）。基于这一技术设计的微纳材料分散-增强工艺能够高效地将填料均匀嵌入预浸料中，同步实现分散与铺设，避免了杂质和液体溶剂的引入（图4c）。此外，该方法不仅适用于各种长度的碳纤维，还可以扩展至其他微纳材料的分散与定向，提升生产效率并实现更广泛的工业应用（图4d）。
图4. (a)纤维分散时间统计。(b)分散后收集纤维的截面图及直立角度统计。(c)火花辅助气相分散在工业在线应用中的潜力。(d)碳纳米纤维和石墨烯微片等多尺度微纳材料在火花辅助静电分散前后的电镜照片
引文信息：
田宇, 李树然, 朱伟东, 等. 气相中火花放电辅助的微纳材料静电分散和定向[J]. 高电压技术, 2024, 50(9): 1-12
田宇，浙江大学机械工程学院博士研究生，主要从事微纳材料静电操控，碳纤维静电回收和再利用，复合材料静电驱动合成等交叉领域的关键技术研究。在Composites Part B，Composites Part A，Composites Science and Technology，高电压技术等复合材料和静电领域权威期刊发表SCI/EI论文11篇。曾获国家奖学金、浙江大学优秀研究生等荣誉奖项。作为核心成员，参与了重点研发计划课题、国家自然基金、浙江省自然科学基金等多个科研项目。
李树然，浙江大学助理研究员，主要从事低温等离子体技术及其应用，具体涵盖复合材料、水下放电、污染控制等多个领域。
浙江大学飞机数字化装配技术团队，拥有一支以柯映林教授为学术带头人、年龄结构合理、多学科交叉的学术梯队，现有固定人员30余人，其中教授/研究员8人，副教授/副研究员/高级工程师7人。团队围绕飞机数字化装配领域的基础科学问题和学科前沿，面向国家航空航天领域重大战略，在强化机械、力学、控制、信息、材料等多学科交叉融合的基础上，开展飞机数字化装配理论创新、关键技术突破、工艺装备开发及系统集成应用研究，促进成果转化，引领行业发展，为我国飞机装配技术和产业的持续、快速、跨越式发展提供创新性成果和高端装备支撑。近年来，团队与中航工业成飞、西飞、陕飞、中国商飞、上飞等主机厂紧密合作，承担了多项国家级重大科研项目，研制了28套飞机自动化装配系统和2条飞机总装脉动生产线，并已全部成功应用于我国10种型号飞机的研制和批量生产，创造了巨大的社会和经济效益。研究工作先后获得2012年教育部技术发明一等奖、2013年国家技术发明二等奖、2017年中国机械工业科学技术一等奖和2020年度浙江省科技进步一等奖等多项科技成果奖励。
责编：曹昭君
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